基于FPGA的精確時(shí)鐘同步方法研究

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1、浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要在工業(yè)控制領(lǐng)域，多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)共存的局面從客觀上促進(jìn)了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，國(guó)際上已經(jīng)出現(xiàn)了HSE、Profinet、ModbusTCP佃、Ethemet／IP、EthemetPowerlink、EtherCAT等多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。將傳統(tǒng)的商用以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的最大障礙是以太網(wǎng)的非實(shí)時(shí)性，而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的高精度時(shí)鐘同步是保證以太網(wǎng)高實(shí)時(shí)性的前提和基礎(chǔ)。IEEE1588定義了一個(gè)能夠在測(cè)量和控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)鐘同步的協(xié)議——精確時(shí)間協(xié)議(PrecisionTimeProtoc01)。PTP協(xié)議集成了網(wǎng)絡(luò)通訊、局部計(jì)算和分布式

2、對(duì)象等多項(xiàng)技術(shù)，適用于所有通過(guò)支持多播的局域網(wǎng)進(jìn)行通訊的分布式系統(tǒng)，特別適合于以太網(wǎng)，但不局限于以太網(wǎng)。PTP協(xié)議能夠使異質(zhì)系統(tǒng)中各類不同精確度、分辨率和穩(wěn)定性的時(shí)鐘同步起來(lái)，占用最少的網(wǎng)絡(luò)和局部計(jì)算資源，在最好情況下能達(dá)到系統(tǒng)級(jí)的亞微級(jí)的同步精度。基于PC機(jī)軟件的時(shí)鐘同步方法，如NTP協(xié)議，由于其實(shí)現(xiàn)機(jī)理的限制，其同步精度最好只能達(dá)到毫秒級(jí)；基于嵌入式軟件的時(shí)鐘同步方法，將時(shí)鐘同步模塊放在操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)層，其同步精度能夠達(dá)到微秒級(jí)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間微秒級(jí)的同步精度雖然已經(jīng)能滿足大多數(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)備時(shí)鐘同步的要求，但是對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制等需求高精度定時(shí)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這仍然不夠?；谇度胧杰?/p>

3、件的時(shí)鐘同步方法受限于操作系統(tǒng)中斷響應(yīng)延遲時(shí)間不一致、晶振頻率漂移等因素，很難達(dá)到亞微秒級(jí)的同步精度。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于FPGA的時(shí)鐘同步方法，以IEEE1588作為時(shí)鐘同步協(xié)議，以Ethernet作為底層通訊網(wǎng)絡(luò)，以嵌入式軟件形式實(shí)現(xiàn)TCP／IP通訊，以數(shù)字電路形式實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步模塊。這種方法充分利用了FPGA的特點(diǎn)，通過(guò)準(zhǔn)確捕獲報(bào)文時(shí)間戳和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償晶振頻率漂移等手段，相對(duì)于嵌入式軟件時(shí)鐘同步方法實(shí)現(xiàn)了更高精度的時(shí)鐘同步，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在以集線器互連的10Mbps以太網(wǎng)上能夠達(dá)到亞微秒級(jí)的同步精度。【關(guān)鍵詞】工業(yè)以太網(wǎng)時(shí)鐘同步IEEEl588FPGA浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文A

4、bstractIneurlerRindustrialcontrolfeld，co-existingofseveralfieldbusstandardspromotesrapiddevelopmentofindustrialEthemetimpersonally,andmanyindusWialEthemetprotocols，suchasHSE，Profmet,ModbusTCP／IP,Etheme們EEthemetPowerlink,EtherCAT,havebeendevelopedinrecentyears．Itisthenon-real-timefeatureofEthe

5、metthatisthebiggestobstacleinapplyingtraditionalcommercialEthernettofieldleveldevicesincontrolsystems．Clocksynchronizationtechnologyisthebasisofsolvingreal-timeprobleminindustrialEthemetprotocols．1EEE1588definesaprotocolcalledPrecisionTimeProtocolwhichenablingprecisesynchronizationofclocksinm

6、e踟ementandcontrolsystemsimplementedwithtechnologiessuchasnetworkcommunication,localcomputing,anddistributedobjeets．Theprotocolisapplicabletosystemscommunicatingbylocalareanetworkssupportingmulticastmessagingincluding,butriotlimitedto,Ethamet．Theprotocolenablesheterogeneoussystemsthatincludecl

7、ocksofvariousinherentprecision,resolution，andstabilitytosynchronize．Theprotocolsupportssystem-widesynchronizationaccuracyinthesub-microsecondrangewithminimalnetworkandlocalclockcomputingresourees．ClocksynchronizationmethodbasedonPCsoftware，su